纵谈嵌入式技术的应用与发展

何宗键，同济大学计算机系硕士。微软公司Windows Embedded认证讲师。现任同济大学软件学院讲师，昭营科技有限公司技术顾问。在同济大学软件学院负责“微软——同济嵌入式Windows工程中心”的科研工作。擅长基于Windows CE的嵌入式操作系统，熟悉手机，PDA和车载行业应用。
　　 最近，记者就嵌入式操作系统、嵌入式技术及其应用专访了何先生，得以领略嵌入式技术的应用现状及发展趋势。
记者：何先生擅长基于Windows CE的嵌入式操作系统的研究，请问相对于其它的嵌入式操作系统平台，Windows CE有哪些优势？在工业控制等实时性要求较高的应用中，Windows CE是否能够胜任？
　　 何先生：Windows CE是微软于1996年推出的嵌入式操作系统，发展到今天，已经有十多年的历史了。微软于2006年11月1日正式发布了Windows CE 6，在系统架构上较以前的版本有了很大的变化，这也预示了Windows CE迎来了新的未来。
　　 目前在使用的嵌入式操作系统非常多，它们各自有自己的特点和应用领域，目前Windows CE在消费类电子产品中已经得到了广泛的应用。我觉得Windows CE的优势主要在于如下几点：
　　 (1) 易用开发和使用：Windows CE最大的优势是它出于最大的软件公司微软之手，凭借微软多年的软件开发经验，Windows CE无论对于开发人员还是对于最终用户都十分友好。对于开发人员而言，Windows CE提供完整的IDE，帮助开发人员方便快速的完成操作系统裁减、应用开发调试、系统集成发布等功能。这些过程几乎涵盖了嵌入式软件开发的整个流程，因此非常有利于快速开发，并缩短产品上市时间（Time to Market）。对于最终用户而言，Windows CE的界面和很多应用程序都与大家熟悉的桌面Windows（9x系列，NT、2000、XP等）一脉相承。用户可以方便的上手操作和使用。
　　 (2) 丰富的功能模块：Windows CE是一个模块化的操作系统，微软提供了几千个功能模块供开发人员选择。这些模块涵盖了很多实用的功能模块，例如：无线网络连接、多媒体解码播放、Internet浏览器、中文输入法等。可以说无论开发手持MP4视频播放器还是开发机顶盒、手机或是信息终端，Windows CE都可以快速完成。此外，Windows CE的社区目前也比较完善，Internet上有第三方开发的许多基于Windows CE的应用。这些应用不但扩充了Windows CE的功能，也增加了Windows CE平台的价值。
　　 (3) 与微软其它产品的交互：Windows CE不是一个单独的产品，它可以与许多常用的微软的产品进行集成和交互。例如用户依然可以用Word、Excel、PowerPoint办公，依然可以用MSN Messenger聊天、用Outlook收发邮件……这给了用户一个很好的使用体验。
　　 对于实时性，Windows CE从3.0开始就已经支持硬实时了。Windows CE是一个实时操作系统，实时支持功能在以下几方面提升了Windows CE的性能：(1) 支持嵌套中断。(2) 允许更高优先级别的中断首先得到响应，而不是等待低级别的ISR完成。(3) 更好的线程响应能力。
　　 (4) 对高级别IST（中断服务线程）的响应时间上限的要求更加严格，在线程响应能力方面的改进帮助开发人员掌握线程转换的具体时间，并通过增强的监控能力和对硬件的控制能力帮助开发人员创建更好嵌入式应用程序。
　　 (5) 更多的优先级别。256个优先级别可以使开发人员在控制嵌入式系统的时序安排方面有更大的灵活性。
　　 (6) 更强的控制能力。对系统内的线程数量的控制能力可以使开发人员更好地掌握调度程序的工作情况。
　　 因此，对于一般的实时性要求，Windows CE是可以胜任的，但是我认为操作系统本身并不能保证某个系统是实时的。换言之，实时系统需要软件和硬件的协作支持。操作系统只是实时系统的一部分。操作系统可以帮助创建实时系统，然而，仅仅是Windows CE或者任何其它的RTOS本身，并不会自动的把一个系统变成实时系统。
记者：目前，嵌入式技术发展迅速，市场应用广泛而分散；提供硬件的供应商众多，但产品雷同，导致竞争激烈。在您看来，嵌入式硬件技术发展趋势是什么？应怎样开拓嵌入式应用？
　　 何先生：正如您所说，目前嵌入式产业涉及的领域非常广泛，小到电子玩具，大到航天设备，每个领域都有各自的特点，要谈嵌入式硬件的统一发展趋势，实在是非常困难。我只谈几点自己接触这个领域过程中的一些看法。
　　 首先，一体化和集成性。SoC的迅猛发展让我们看到了芯片的未来趋势。在一块芯片上集成许多IP core，不仅可以使嵌入式硬件设计更加简单快速，对于嵌入式软件，尤其是驱动代码的复用，也是非常有用的。例如，昭营科技在即将推出的新的自主知识产权CPU中，集成了几乎所有的常用外设控制器，这将极大地方便嵌入式系统的研发。
　　 其次，低功耗。随着嵌入式系统功能的增强，功耗问题也变得越来越重要。在消费类电子产品领域功耗问题尤为重要。手机领域是一个典型的例子，智能手机在极大地增强了手机功能的同时，充电越来越频繁也是一个严重的诟病。功耗问题的产生一方面是由于硬件本身带来的功耗，更重要的原因可能是嵌入式系统没有完善的电源管理。今后，针对某些具体行业应用的电源管理模块（包括软硬件模块），可能是嵌入式硬件领域的发展方向之一。
　　 第三，网络化，智能化。Internet已经改变了人们的生活，我认为今后越来越多的嵌入式设备都会拥有互联网接入能力。一方面，嵌入式设备通过互联网接入可以提供更多的功能，另外一方面，嵌入式设备也可以通过互联网与其它嵌入式设备交互和集成。网络在改变人们生活的同时，也在促进着嵌入式领域的变革。
　　当然，针对不同的嵌入式领域，每个领域都自己的硬件发展趋势，航天工控等领域要求硬件有更高的稳定性；而汽车电子领域的硬件发展趋势可能是如何与整车集成。这些都是值得具体讨论的。
记者：目前，嵌入式技术主要应用在哪些行业？这些行业分别有哪些特点？
　　 何先生：嵌入式技术近年来得到了飞速的发展，但是嵌入式产业涉及的领域非常广泛，彼此之间的特点也相当明显。可以找到有很多相关的统计数据，随口就可以说出许多行业：手机、PDA、车载导航、工控、军工、多媒体终端、网关、数字电视……在这里我不可能列举所有行业，只列举几个近年来发展比较迅速、与大众相关的产业介绍。
　　 手机领域：以手机为代表的移动设备可谓是近年来发展最为迅猛的嵌入式行业。甚至针对于手机软件开发，还曾经衍生出“泛嵌入式开发”这样的新词汇。一方面，手机得到了大规模普及，另一方面，手机的功能得到了飞速发展，3、4年前的手机功能与价格与现在就不能同日而语。随着国内3G时代的脚步日益临近，可以预料到手机领域的软硬件都必将面临一场更大的变革。功耗、功能、带宽、价格等都是手机硬件领域的热门词汇。从软件技术角度来看，我认为手机的软件操作系统平台会趋于标准化和统一化。手机的应用会愈加丰富，除了最基本的通话功能外，逐渐会包括目前PDA、数码相机、游戏机等功能，更加趋向于成为个人手持终端。
　　 汽车电子领域：随着汽车产业的飞速发展，汽车电子近年来也有了较快的发展。但是不得不承认，目前国内的嵌入式车载领域的发展与国际相比差距还是比较大的。电子导航系统在汽车电子中占据的比重比较大，目前导航系统在国外已经有了广泛的应用。在国内近年来也已经开始起步，可以预料未来几年内会有比较快速的发展。汽车电子领域的另外一个发展趋势是与汽车本身机械结合，从而可以实现故障诊断定位等功能。
　　 消费类电子产品：消费类电子产品的销量早就超过了PC若干倍。并且还在以每年10%左右的速度增长。消费类电子产品主要包括便携音频视频播放器、数码相机、掌上游戏机等。目前，消费类电子产品已形成一定的规模，并且已经相对成熟。对于消费类电子产品，真正体现嵌入式特点的是在系统设计上经常要考虑性价比的折衷，如何设计出让消费者觉得划算的产品是比较重要的。
　　 军工航天：对于大多数开发者和用户而言，这可能都是比较神秘的一个领域。的确，大多数人一生都没有机会给F117战机编写控制程序。的确，军工和航天领域是不为大众所知的领域，在这个领域里面，无论是硬件还是操作系统、编译器，通常并不是市场上可以见到的通用设备，它们大多数都是专用的。但是并不代表这个领域落后，许多最先进的技术最前沿的成果，往往都会用在这个领域。
记者：在工业控制市场，嵌入式产品因其灵活的定制性、较低的成本，成为工业装备制造市场的选择之一，但二次开发、工业耐受性不足制约了其广泛应用，您如何看待嵌入式技术在工业中的应用？
　　 何先生：对于工业控制领域，我本人以前参加过数控机床和流水线控制软件的研发，对整个工控行业算不上专家，在这里仅谈我个人的看法，谈得不妥还有望有关专家、同行批评指正、相互交流。
　　 工业控制是使用新兴电子技术来改造传统产业的典型代表。它涵盖的范围也比较广：纺织、包装、印刷、机床等等。对于工控领域的硬件设计开发，有在特殊的环境下可靠工作的挑战，也有实时性、稳定性等要求。对于软件而言，不仅是工控领域，在许多嵌入式领域二次开发都是一个棘手的问题。我觉得一个可行的解决方案是建立与行业应用相关的可重用构件库。例如针对数控机床领域，可以初步建立一些数控机床通用的构件，例如仪表盘等等，先在数控机床行业达到重用。第二步，逐步提取跨行业通用的构件库，进一步提高嵌入式软件的复用性。当然，这不是一日之功，需要嵌入式软件工程师的共同努力。
记者：昭营科技致力于中央处理器设计、单芯片系统设计、嵌入式主板/系统设计及生产，作为昭营科技的技术顾问，您认为，昭营科技在嵌入式技术和市场方面有哪些竞争优势？
　　 何先生：我认为昭营科技最大的技术优势是具有自主知识产权的CPU。昭营科技对于自主X86 CPU研发投入了巨大的精力，现在已经形成了比较完善的产品线。其主打产品Votex86系列CPU有尺寸小、功耗低、发热低和宽温工作等优点，已经得到了全球市场的认可。即将面市的CPU更是关注稳定性和集成性，必将给用户带来更大的方便。
　　 此外，昭营科技与微软有良好的合作关系，昭营科技在2005年被评为微软嵌入式最佳硬件合作伙伴，其EBox产品连续多年被微软的Windows Student ChallengE竞赛作为指定硬件平台。昭营科技对微软的嵌入式产品也有良好的支持能力。无论Windows CE还是indows XP Embedded，昭营科技都有产品支持。在微软推出Windows CE 6之际，昭营科技也同步发布了Windows CE 6的BSP支持。这些优势也是昭营科技独有的。
记者：在您与昭营科技等企业合作中，有哪些Windows CE相关的推广工作？目前进展如何？
　　 何先生：作为中国高校的一名教员，很高兴可以与企业有深层次的合作。我最早是在04年与昭营科技开始接触。经过几年的发展，无论在产业还是学术方面，都有了较深层次的合作，主要有如下几个方面：
　　 共建联合实验室：昭营科技与同济大学于2005年挂牌成立了“ICOP-同济嵌入式Windows工程中心”。昭营科技向同济大学无偿捐赠了30台EBox实验平台。这个实验室是中国高校中为数不多的关注嵌入式Windows技术的实验室。实验室的活动主要关注教学和科研两部分内容。教学方面，同济大学每年会有100位左右的嵌入式方向本科和硕士生，由我主讲的《嵌入式软件开发导论》课程已经被评选为了“教育部——微软精品课程”，该实验室可以为嵌入式方向的学生提供实验和动手的场所。科研方面，微软、ICOP和同济已经开始联手研发国内第一款项目和场景导向的嵌入式教学实验平台，预计可以在明年研发完成。此外，在车载系统方面，昭营科技与同济也有一些合作。
　　共同举行嵌入式教学推广活动：我们认为，目前嵌入式领域人才匮乏的主要原因是教育与培训跟不上。因此，昭营科技与同济一起进行了许多Windows CE相关的培训和推广活动。我们每两个月会举办面对社会的免费Windows CE培训。也会举办针对企业的以微软标准嵌入式培训课程为内容的付费培训。我们还有一些针对学术界的推广，前不久，由微软公司、昭营科技和同济大学共同举办的第二届Windows Embedded教学研讨会在同济大学顺利召开，会议的主题是在高校中推广Windows Embedded教学，来自全国各地的近百位高校教师参加了此次培训。昭营科技花大力从美国微软邀请了著名专家参加此次研讨会，取得了非常好的效果。
　　 校企之间的其它合作：昭营科技与同济之间还有一些其它合作，例如昭营科技会派资深工程师到高校进行技术讲座；高校教师也可以到企业担任咨询和客座职位。
　　 未来，双方打算在产品研发、新技术推广等方面有更广阔的合作。
　　 记者：嵌入式技术日趋成熟，应用日益广泛，您如何看待嵌入式技术和应用在我国的发展？未来，将呈现哪些发展趋势？
　　 何先生：毋庸置疑，近几年来嵌入式领域技术在国内得到了飞速的发展。据资料统计，2002年，我国嵌入式软件市场销售额为118.56亿元，占到了同年我国软件总产值1100亿元的10%，而今天已经占到了软件产业的一半以上，按2003年我国软件市场实现销售额399.6亿元计算，约为13.6亿元。尽管如此，相比国际市场，其市场仍有待开发。全球嵌入式软件市场在2002年时就超过了317亿美元。随着国内信息家电、手机、汽车电子等行业需求的加剧，嵌入式软件将扮演着越来越重要的角色。
　　 传统的IT设备应该逐渐转变为嵌入设备，这是一个大趋势。在这个大趋势中，软件的地位越来越重要。因此，嵌入式软件在提升IT制造业的竞争力、优化产业结构的过程中起到了非常重要的作用，发展嵌入式软件势在必行。
　　最后，因为嵌入式软件的特点而决定，嵌入式是以应用为前提的，没有垄断的可能。谁掌握了应用，谁就能做得更好。因此，嵌入式软件产业对我国软件产业也是一个难得的机会。